硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)之--43(國)對流換熱

1、硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)14.3 對流換熱對流換熱4.3.1 對流換熱基本概念對流換熱基本概念對流傳熱與對流換熱對流傳熱與對流換熱對流傳熱：對流傳熱：在流體內(nèi)部依靠流體年的宏觀位移將熱量從高溫處傳向低溫處對流換熱：對流換熱：流體與固體之間接觸時彼此之間的換熱過程。對流換熱與對流傳熱的區(qū)別對流換熱與對流傳熱的區(qū)別傳熱的方式不同：傳熱的方式不同：對流換熱包括流體位移時的對流傳熱，也包括傳導(dǎo)硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)14.3.2對流換熱影響對流換熱影響 因素因素流體動的動力流體動的動力（A）強制流動）強制流動（B）自由流動）自由流動流體流動狀態(tài)流體流動狀態(tài)層流：主要依靠流體傳導(dǎo)，與流體流動速度無關(guān)；層流：主要依靠

2、流體傳導(dǎo)，與流體流動速度無關(guān)；紊流：依靠傳導(dǎo)和對流，與邊界層熱阻有關(guān)，運動速度越大紊流：依靠傳導(dǎo)和對流，與邊界層熱阻有關(guān)，運動速度越大越大，越大，越大。流體物理性質(zhì)：流體物理性質(zhì)：流體密度、比熱越大，熱流量越大；流體密度、比熱越大，熱流量越大；導(dǎo)熱系數(shù)大的流體，熱阻小，熱流量越大；導(dǎo)熱系數(shù)大的流體，熱阻小，熱流量越大；流體粘度大，邊界層厚度大，熱流量越小。流體粘度大，邊界層厚度大，熱流量越小。固體壁面的形狀和位置。固體壁面的形狀和位置。單位質(zhì)量流體浮升力0gt硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)14.3.3對流換熱基本定律對流換熱基本定律牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 換熱的熱流量q與 流體和固體壁面之間溫度差成正比

3、。即：q=(tw-tf) w/m2的意義：的意義：表示單位時間內(nèi)，當(dāng)流體與固體壁面之間溫度差為1時，通過單位面積的熱量。計算中，將影響q的全部因素歸結(jié)到，使計算公式簡化。即：=f(,l1,l2,l3,u,tw,tf)硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)14.3.4對流換熱過程相似理論對流換熱過程相似理論相似概念相似概念：（A）幾何相似（B）物理量的分布相似（C）物理現(xiàn)象相似相似相似硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)1（）流體力學(xué)相似：（）流體力學(xué)相似： 歐拉準(zhǔn)數(shù)歐拉準(zhǔn)數(shù) 表示意義：流體靜壓頭與動壓頭之比表示意義：流體靜壓頭與動壓頭之比 雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù) 表示意義：表示流體慣性力與粘滯阻力之比表示意義：表示流體慣性力與粘滯阻力之

4、比 葛拉曉夫準(zhǔn)數(shù)葛拉曉夫準(zhǔn)數(shù) 表示意義：流體浮升力與粘滯阻力之比表示意義：流體浮升力與粘滯阻力之比2pEulRe233ltgGr相似準(zhǔn)數(shù)相似準(zhǔn)數(shù) 準(zhǔn)數(shù)：具有一定物理意義的無因次數(shù)群。準(zhǔn)數(shù)：具有一定物理意義的無因次數(shù)群。（）幾何相似：（）幾何相似：兩個系統(tǒng)對應(yīng)邊成比例，對應(yīng)角相等硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)1（）熱力學(xué)相似（）熱力學(xué)相似 普蘭特準(zhǔn)數(shù)：普蘭特準(zhǔn)數(shù)： 意義：表示流體的物性參數(shù)。意義：表示流體的物性參數(shù)。 努謝特準(zhǔn)數(shù)：努謝特準(zhǔn)數(shù)： 意義意義:傳導(dǎo)熱阻與對流熱阻之比傳導(dǎo)熱阻與對流熱阻之比aCpPr1llNu硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)14.3.5對流換熱準(zhǔn)數(shù)方程對流換熱準(zhǔn)數(shù)方程因次分析法因次分析法因次和諧性

5、：因次和諧性：物理方程所包含各項在因次上一致。 基本物理量：基本物理量：國際單位制中7個基本物理量個基本物理量： 長度（L）、溫度（）、質(zhì)量（M）、時間（）、量（mol)、電流（A）、埃得拉（(ed)對流換熱準(zhǔn)數(shù)方程對流換熱準(zhǔn)數(shù)方程=f(,l1,l2,l3,u,tw,tf) 即 Nu=AReaPrbGrc 或： Nu=f(Re,Pr,Gr)硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)1幾種特殊情況幾種特殊情況： （）流體強制流動：（）流體強制流動：自然對流可以忽略，即Gr=0Nu=f(Re,Pr) 流體種類已知：Pr為常數(shù)，即Nu=f(Re) （）（）流體自然流動：流體自然流動：Re可忽略，Nu=f(Gr,Pr)流體種

6、類已知：Pr為常數(shù)，即Nu=f(Gr)硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)1定性溫度和定性尺寸定性溫度和定性尺寸（）定性溫度：（）定性溫度：決定準(zhǔn)數(shù)中物理參數(shù)值的溫度。決定準(zhǔn)數(shù)中物理參數(shù)值的溫度。 常用定性溫度常用定性溫度: 流體與 固體壁平均溫度； 固體壁面溫度; 流體平均溫度.（）定性尺寸：（）定性尺寸：對流體流動有決定意義的壁面與流體接觸對流體流動有決定意義的壁面與流體接觸 的幾何尺寸。的幾何尺寸。 常見定性尺寸：常見定性尺寸： 流體在管道中流動管道直徑或當(dāng)量直徑； 橫向掠過單管或管道族管道外徑； 縱向掠過單管或管道族管道流動方向的長度。硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)14.3.6不同情況的對流換熱系數(shù)計算不同情況的對

7、流換熱系數(shù)計算計算方法：計算方法： （）查各條件下的準(zhǔn)數(shù)方程，計算Nu （）利用 計算 （）利用牛頓冷卻定律計算q常見情況下的對流換熱計算常見情況下的對流換熱計算 （1） 強制對流強制對流1llNu 023. 0 8 . 0nreufffPRN適用條件：定性溫度為流體平均溫度，定性尺寸為管子內(nèi)徑。60 1207 . 0102 . 11054dlPRffre， 1)流體在圓管內(nèi)紊流流動硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)12)流體在圓管內(nèi)層流流動流體在圓管內(nèi)層流流動 14. 033. 033. 0u)()()(86. 1NfwfreldPRff適用條件：定性溫度為流體平均溫度，定性尺寸為管子內(nèi)徑。Ref0.6，R

8、efPrf(d/l)103) )流體掠過平板紊流流動流體掠過平板紊流流動3/18 . 0)850037. 0(mmmreuPRN適用條件：5105Re107；Prf=0.550； 定性溫度為邊界層平均溫度，.定性尺寸為板長。硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)14）流體掠過平板層流流動流體掠過平板層流流動3/12/1664. 0mmmreuPRN適用條件：Re1；定性溫度為邊界層平均溫度， 定性尺寸為板長 5）流體外掠單管）流體外掠單管3/1fffrneuPcRN適用條件：定性溫度為流體溫度，定性尺寸為單管外徑， c、n與Re有關(guān)的實驗常數(shù)。 硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)1（2）自然對流自然對流 自然對流的準(zhǔn)數(shù)方程：自然

9、對流的準(zhǔn)數(shù)方程： ),(rruPGfN冪函數(shù)形式：冪函數(shù)形式： nrruPGcN),(1)1)垂直平壁及直圓筒：垂直平壁及直圓筒：Gr.Pr=104 10941),(59. 0rruPGN層流層流31),(10. 0rruPGN紊流紊流Gr.Pr=109 1013定性溫度為邊界層平均溫度；定性尺寸為高度。硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)12)2)水平圓筒：水平圓筒：Gr.Pr=104 109Gr.Pr=109 101241),(53. 0rruPGN 層流層流 31),(13. 0rruPGN紊流紊流 3)3)經(jīng)驗公式：經(jīng)驗公式： 23. 0)(awttK在垂直壁面上K=2.56；在水平壁面上(熱面向上)K=3.26；在水平壁面上(熱面向下)K=1.63。定性溫度為邊界層平均溫度；定性尺寸為外徑。硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)13